生土砌块用粘结材料改性试验研究

丁苏金，王武祥，杨鼎宜

（1.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024；2.扬州大学，江苏扬州 225009）

生土砌块用粘结材料改性试验研究

丁苏金1，2，王武祥1，杨鼎宜2

（1.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024；2.扬州大学，江苏扬州 225009）

通过对比水泥、矿渣、粉煤灰等掺和料和化学激发剂氯化钙、硫酸钠对生土砌块用粘结材料物理力学性能的影响，探讨研究粘结材料改性方法。结果表明：胶凝材料总掺量小于15%时，复掺水泥和矿渣对粘结材料强度改善效果最好，水泥单掺改性效果次之，不宜掺入粉煤灰。矿渣掺量小于7.5%时，硫酸钠对水泥矿渣改性粘结材料活性的激发效果明显优于氯化钙。受到矿渣水化产物和生土材料干燥收缩的影响，当粘结材料含水率小于20%时，强度损失明显。

掺和料；化学激发剂；生土材料；粘结材料；物理力学性能

0 引言

生土材料是人类应用最早的混凝土材料，是保持生土系统平衡的理想建筑材料[1]，生土砌块用粘结材料，简称粘结材料，是由生土材料和改性材料搅拌均匀后加水拌和而成的浆体材料。适用于生土砌块砌筑和墙体抹面，是生土墙体材料的重要组成部分，具有造价低廉，易于施工，地域性强等优势。在我国尤其是贫困农村地区房屋建设中，具有相适宜的应用定位和充分发挥空间[2]。

国内外学者已进行过生土墙体材料物理化学改性[3]，砌块生产工艺[4]，墙体力学性能和抗震性能等方面的研究[5]，但这些研究都是在缺乏配套粘结材料的基础上进行的，对墙体结构稳定性与抗震性研究准确性具有显著影响[6]。本文针对生土材料强度低，变形大的缺点，分别进行了单掺水泥、复掺水泥矿渣、复掺水泥粉煤灰以及常用激发剂氯化钙、硫酸钠激发的改性优化试验，探讨研究粘结材料在不同改性方式下的变化规律和合理掺量。

1 实验

1.1 原材料

生土材料采用陕西黄土，钙硅比为0.2，参照LY/T 1252—1999《森林土壤粘粒（≤0.002 mm）的提取》测得粘粒含量约10%，参照GB/T 50123—1999《土工试验方法》测得烘干生土颗粒粒度见表1，采用X射线荧光光谱分析仪分析其化学组成见表2。

表1 生土颗粒的粒径分布

水泥采用唐山冀东水泥厂产42.5R普通硅酸盐水泥，化学成分见表2；矿渣采用S95级普通矿渣，化学成分见表2；粉煤灰采用北京石景山发电厂Ⅲ级干排粉煤灰。

表2 原材料的化学成分%

CaCl2、Na2SO4，均为分析纯，含量不低于99.5%。

1.2 实验方法

粘结材料浆体制备方法：为保证制作试件性能稳定，同时保证试验的可操作性，本试验所制备粘结材料浆体稠度均在70～80 mm。生土材料因用量较大且天然含水率不同，在试件正式制备前应先测试其天然含水率并进行配合比调试，调试完成后按实际配合比制备试件。

试块养护方法：试件成型后在（20±5）℃的室内环境养护48 h后脱模，分别采用在标准养护条件下继续养护至28 d（BY）和60℃蒸养16 h后继续在标准条件下养护3 d（ZY）两种方式养护。

抗压实验方法：养护至规定龄期后，立即放入鼓风干燥箱内，在（40±2）℃鼓风条件下干燥至含水率为（27±4）%，冷却至室温后取出进行抗压实验。

1.3 配合比设计

为探讨不同胶凝材料和常用活化剂对粘结材料力学性能的影响，本文对水泥单掺和水泥矿渣复掺、水泥粉煤灰复掺改性粘结材料在蒸汽养护和标准养护条件下的强度进行了对比，由于矿渣和粉煤灰凝结硬化速度很慢，未进行单掺改性。在进一步优化水泥矿渣复掺改性粘结材料配合比的基础上，探讨了氯化钙和硫酸钠在不同配合比情况下对粘结材料强度的激发效果，各配合比用水量均以控制粘结材料浆体稠度在70～80 mm时用水量为准。

2 实验结果及分析

2.1 不同养护方式下不同改性方式对粘结材料抗压强度的影响（见图1～图3）

由图1～图3可见，蒸汽养护可加快粘结材料早期强度形成。水泥改性粘结材料，蒸汽养护结束后抗压强度达到标准养护的81%以上；水泥矿渣改性和水泥粉煤灰改性粘结材料，蒸汽养护结束后强度分别达到标准养护的58%和47%以上。蒸汽养护方式能够较好的激发水泥早期活性，但是对于矿渣和粉煤灰等辅助胶凝材料早期活性激发效果较差。单掺水泥、复掺水泥矿渣、复掺水泥粉煤灰改性粘结材料在标准养护下的最大抗压强度分别为20.2、15.9、3.6 MPa，此时胶凝材料总量均为25%，说明粉煤灰不适宜作为粘结材料的辅助胶凝材料。

图1 不同养护方式下单掺水泥对粘结材料抗压强度的影响

图2 不同养护方式下复掺水泥矿渣对粘结材料抗压强度的影响

图3 不同养护方式下复掺水泥粉煤灰对粘结材料抗压强度的影响

为探讨蒸汽养护对水泥矿渣改性粘结材料抗压强度的影响，对比了不同掺量下成型试块在标准养护28 d和60℃蒸养16 h后继续标准养护至28 d两种养护方式下抗压强度发展情况，结果见图4。

由图4可见，蒸汽养护后抗压强度下降10%以上，主要是因为水泥掺量较少，而矿渣早期活性在蒸汽养护方式下激发效果较差，导致粘结材料在蒸汽养护时强度较低，水蒸汽对粘结材料内部结构造成破坏，形成微裂缝，阻碍后期强度增长。

图4 蒸汽养护对水泥矿渣改性粘结材料抗压强度的影响

2.2 水泥矿渣改性粘结材料强度优化

为进一步探讨水泥矿渣对粘结材料强度影响，对配合比进行优化，结果见图5。

图5 不同水泥矿渣配比条件下粘结材料的抗压强度

由图5可见，当水泥掺量相同时，随矿渣掺量增加粘结材料强度近似呈现直线上升趋势，且各直线近似平行。当水泥2.5%、矿渣7.5%；水泥7.5%、矿渣10.0%，水泥7.5%、矿渣17.5%；水泥10.0%、矿渣15.0%时，粘结材料抗压强度分别满足Mb5、Mb10、Mb12.5、Mb15强度等级要求。为充分发挥生土材料自身优势，结合生土建筑对材料自身强度的要求，建议粘结材料满足Mb5强度等级即可。

将图5中胶凝材料总量相同的水泥单掺与水泥矿渣复掺改性粘结材料强度进行对比（见图6），可以发现，胶凝材料总掺量≤15%时，水泥矿渣改性粘结材料强度略高于水泥改性，当胶凝材料总量大于15%，水泥的改性效果明显高于水泥矿渣。矿渣作为辅助胶凝材料，能够在水泥水化环境下代替部分水泥，进一步降低粘结材料经济成本，当胶凝材料总掺量小于15%时，激发后矿渣能够进一步改善浆体孔结构[7]，提高强度，由于受到矿渣水化活性的影响，水泥矿渣复掺改性方式在胶凝材料总量大于15%以后改性效果受到影响，建议在不使用其它激发剂对生土进行改性时，水泥矿渣的总掺量小于15%。

图6 不同改性体系改性效果对比

2.3 化学激发剂对水泥矿渣改性粘结材料抗压强度的影响

为提高水泥矿渣改性粘结材料反应活性，提高材料强度，使用常用氯盐和硫酸盐激发剂对不同配合比水泥矿渣改性粘结材料活性进行了激发，结果见图7。

图7 CaCl2和Na2SO4对水泥矿渣改性粘结材料抗压强度的影响

由图7可见，在水泥矿渣改性粘结材料内掺入Na2SO4后能够改善粘结材料强度，当水泥掺量7.5%时，改性效果显著，掺入CaCl2后对水泥矿渣改性粘结材料有不利影响，当水泥材料为7.5%时，强度下降最为明显。

由图7（a）可见，当掺2.5%水泥时，随矿渣掺量增加，氯化钙对粘结材料抗压强度稍有提升。图7（c）中，当水泥掺量为5.0%，氯化钙掺量小于1.0%时，矿渣掺量越多，粘结材料强度下降越少，当氯化钙掺量继续增大，强度均出现明显下降。当水泥掺量为7.5%[图7（e）]，矿渣掺量为7.5%时，强度基本保持不变，矿渣掺量小于7.5%的粘结材料强度随CaCl2掺量增加明显下降。由图7（b）、（d）、（f）可见，水泥掺量小于7.5%时，添加硫酸钠对粘结材料强度提升较少。水泥掺量为7.5%时，强度随硫酸钠掺量增加明显增长。当水泥、矿渣均为7.5%，硫酸钠为2.5%时，粘结材料有最大抗压强度11.2MPa，与未进行硫酸钠激发时粘结材料强度7.9MPa相比，强度增长41%，改善效果明显。

综上所述，矿渣掺量小于7.5%时，氯化钙会明显降低粘结材料28 d强度，不适宜添加。硫酸钠对水泥矿渣改性粘结材料强度有明显的提升效果。为显著提高粘结材料力学性能，硫酸钠掺量以1.0%～2.0%为宜，水泥掺量以7.5%为宜，矿渣掺量以2.5%～5.0%为宜。

2.4 含水率对水泥矿渣改性粘结材料强度的影响

水泥矿渣虽然改变了土的结构，但是粘结材料主要原材料仍是生土材料，占总质量的80%甚至更多。根据有效应力原理，当土的含水率降低时，孔隙水压力下降，有效应力增加，强度增大。但含水率过低时，试件开裂严重，对粘结材料强度及软化系数测试结果均有影响，因此含水率研究具有一定价值。对水泥矿渣改性粘结材料，从绝干到饱水不同含水率下抗压强度进行了测试，含水率对抗压强度影响见图8。为方便讨论研究，实验默认试块干燥至恒重状态时含水率为绝干，设计含水率与实测含水率误差小于1%。

图8 粘结材料含水率与抗压强度的关系曲线

由图8可见，含水率大于20%时，粘结材料强度随含水率变化不大，基本处于稳定状态，此时粘结材料强度形成主要依靠水泥矿渣水化产物。当含水率下降到15%～20%时，试件出现明显收缩开裂，水化产物对土颗粒的粘结能力下降，强度降低。随含水率继续下降，土颗粒之间粘结主要依靠部分尚具黏聚力的水化产物和土的基质吸力（孔隙气压力和孔隙水压力的差值），此时，含水率下降造成基质吸力和有效应力增加，强度出现略微上升，但是强度回升有限。含水率在继续下降到0左右的过程中，粘结材料出现严重收缩开裂，水化产物粘结能力再次下降，干土颗粒之间黏聚力消失[8]，粘结材料强度再度下降。

在含水率大于20%时，同为5%水泥掺量下，15%矿渣改性粘结材料强度曲线比10%矿渣改性更为平缓，主要是因为前者水化产物明显多于后者，在试块开裂不是很严重的情况下能够更好地保持原有强度。矿渣水化产物干燥收缩较大，在含水率下降较多时，矿渣掺量较大的粘结材料开裂更为严重。因此在含水率为15%时，15%矿渣掺量粘结材料强度下降更加明显。随含水率继续下降，水化产物对粘结材料强度影响变小，因此，2种配合比粘结材料强度随含水率变化的趋势基本相近。

2.5 水泥矿渣对改性粘结材料浆体保水率的影响

保水性能是粘结材料浆体的一项重要指标，在参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行粘结材料保水性试验过程中发现，静置2 min左右，粘结材料表面会出现泌水现象，仅将重物和不透水片静压2 min，滤纸所能吸附的水分很少，测试得到粘结材料保水率偏高。为探讨水泥矿渣对粘结材料浆体保水率的影响，选用4种粘结材料配合比，经搅拌、浇筑入模、插捣、抹平后分别采用：立即铺上滤网及中速滤纸，使用重物及不透水片静压2 min；静置2 min待浆体泌水，铺上滤网及中速滤纸，用重物和不透水片静压2 min和5 min三种方法测试保水率（分别记为方案A、方案B、方案C），配合比及各方案测得保水率见表3。

表3 保水率实验配合比及测试结果

从表3可以发现，3种方案测得粘结材料保水率均大于88%。其中，根据JGJ/T 70—2009中7.0.2规定（即方案A）测得粘结材料保水率均大于94%，且大于方案B所测得对应配合比保水率，说明静置2 min待浆体泌水是有必要的。随胶凝材料总掺量从7.5%增加到17.5%，方案A、B、C保水率分别增长0.5、0.5、2.0个百分点，说明粘结材料保水性能对胶凝材料掺量依赖性较小，主要取决于生土材料自身特性。

不同于普通水泥砂浆，粘结材料中掺有大量生土材料，据测试，使用生土材料黏土颗粒含量为10%，根据扩散双电层理论，黏土颗粒在碱性水溶液中带负电荷，会吸附阳离子使阳离子在黏土颗粒表面浓集，同时由于分子热运动和浓度差，又会引起阳离子脱离界面的扩散运动。黏土颗粒对阳离子的吸附和阳离子的扩散运动共同作用形成阳离子的吸附层和扩散层，如图9所示。吸附的阳离子水化，使黏土颗粒周围形成水化膜，增强了粘结材料保水性。

图9 扩散双电层理论示意

3 结论

（1）在水泥单掺、水泥矿渣复掺、水泥粉煤灰复掺3种改性方式中，胶凝材料总掺量小于15%时，水泥矿渣复掺改性效果优于水泥单掺改性，优于水泥粉煤灰复掺改性；胶凝材料总掺量大于15%以后，受到矿渣活性影响，水泥单掺改性优于水泥矿渣复掺改性，优于水泥粉煤灰复掺改性。

（2）蒸汽养护方式能够较好激发水泥早期活性，但是激发矿渣和粉煤灰等辅助胶凝材料早期活性较为困难。由于粘结材料早期强度较低，60℃蒸养16h会降低粘结材料28d强度。

（3）在水泥矿渣改性粘结材料中添加氯化钙或硫酸钠对其活性进行激发，矿渣掺量小于7.5%时，氯化钙会明显降低粘结材料强度，不宜添加，硫酸钠激发效果优于氯化钙，在水泥和矿渣掺量均为7.5%，硫酸钠掺量为2.5%时，粘结材料有最大抗压强度11.2 MPa，大于15%水泥单掺改性粘结材料强度7.3 MPa。

（4）粘结材料浆体保水性能最大影响因素为生土材料中黏土颗粒含量，增加水泥矿渣掺量虽然能够提高保水率，但是提升有限。粘结材料浆体静置2 min左右会出现泌水现象，建议保水率测试过程中，浆体填满容器并整平后静置2 min再进行后续操作。

[1]刘军，褚俊英，赵金波.掺和料对生土墙体材料力学性能的影响[J].建筑材料学报，2010，13（4）：46-451.

[2]丁苏金，王武祥，杨鼎宜，等.生土建筑材料的改性研究进展及其应用[J].建筑砌块与砌块建筑，2014（5）：45-51.

[3]谭晓倩.活化生土基低碳节能村镇建筑材料研究[D].大连：大连理工大学，2011.

[4]郑寒英.生土墙体材料改性技术研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[5]王毅红，梁楗，张项英.我国生土结构研究综述[J].土木工程学报，2015，48（5）：98-107.

[6]BRT Vilane.Assessment of stabilisation of adobes by confined compression tests[J].Biosystems Engineering，2010，106（4）：551-558.

[7]郑克仁，孙伟，贾艳涛.矿渣掺量对高水胶比水泥净浆水化产物及孔结构的影响[J].硅酸盐学报，2005，33（4）：520-524.

[8]黄琨，万军伟，陈刚.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究[J].岩土力学，2012，33（9）：2600-2604.

Modified testing study of bonding materials used on earth blocks

DING Sujin1，2，WANG Wuxiang1，YANG Dingyi2
（1.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China；2.Yangzhou University，Yangzhou 225009，China）

Researched modification methods on bonding materials used on earth blocks through contrasting physical and mechanical performance of bonding materials modified by admixtures like cement，slag，fly ash and chemical activators such as calcium chloride，sodium sulfate.The results show that while the total dosage of cementing material less than 15%，compound cement and slag had the best modified performance about strength of bonding materials and cement single second，however，fly ash was not fitted to add in bonding materials.While slag content less than 7.5%，sodium sulfate had better activated performance about activity of bonding materials than calcium chloride.The loss of strength obviously reduced while water content of bonding materials less than 20%owing to the drying shrinkage arise from earth and hydration products of slag.

admixtures，chemical activators，raw soil materials，bonding materials，physical and mechanical performance

TU522.39；TU578.1

A

1001-702X（2016）07-0075-05

国家科技支撑计划课题（2014BAL03B03）

2015-12-07

丁苏金，男，1989年生，江苏常州人，硕士研究生，从事生土粘结材料研究。